高速铁路大断面软弱围岩隧道变形特性

金属支架的力学性质与其连接方式密切相关，常用的连接方式有摩擦连接式和刚性连接式，I型钢可压缩支架采用摩擦式连接。I型钢可压缩支架通过卡缆进行搭接连接（图10-2），支架的上、下型钢在内力的作用下会产生滑动力，同时上、下型钢由于卡缆法向约束作用而产生阻止其相互滑动的抗滑力。当滑动力等于抗滑力时，可压缩支架会产生缩动，而当滑动力小于抗滑力时，支架的缩动停止。

连接件的类型直接影响着金属支架的变形破坏型式，需要建立合理的计算模型。尤春安采用截面等效方法，基于结构力学的基本原理，对I型钢缩动后的内力以及I型钢可压缩支架的稳定性进行了深入研究，建立了I型钢可压缩支架内力计算的理论基础。但是实际工程中，可压缩支架的缩动是由连接件的摩擦滑动所致，滑动过程中的摩阻力提供支护力，为此本书建立了如下连接件力学模型（图10-2）。理论上，上、下型钢的接触为线接触，二维情况下可以简化为点接触。假设a、b为接触点，分别位于上、下型钢上，为了说明方便，将重合的点a、b分开用虚线连接。点a的局部坐标为，其中为I型钢的切线方向，为隧道纵向，为隧道横向。点b的局部坐标为，各坐标方向同点a。

对于摩擦式连接而言，假设点b在外力作用下沿着方向滑动，其滑动力：

P=KtLabt

式中：Kt为方向上的刚度；

Labt为缩动量。(www.xing528.com)

由于卡缆法向约束作用会产生阻止其相互缩动的抗滑力：

Q=FN·μ

式中：FN为卡缆提供的法向约束力；

μ为其摩擦因数。

于是，当P=Q时，型钢间产生相互滑动；当P＜Q，滑动停止。摩擦式连接件的破坏一般是由于上、下型钢的滑动量超过设计值后，型钢间的张开力大于卡缆螺栓的强度，导致卡缆破坏。假设连接件的设计缩动量为，卡缆所能提供的最大法向约束力为，当时，点a、b间的沿切向的滑动将被阻止，FN迅速增大；当时，卡缆破坏。